В ряде случаев при СЭЗ реализуется другой тип установки, при котором используются две трёхэлектродные установки с одним неподвижным питающим электродом A (см. рис. 29, снизу). При этом эффект зондирования обеспечивается перемещением приёмной линии M_iN_i. Так как положение токового электрода не меняется, то в этом случае можно использовать сразу два или даже несколько приёмных линий MN и, соответственно, измерителей, что позволяет резко повысить производительность съёмки. Однако такие данные в последующем необходимо преобразовывать к привычному виду.

В любом из представленных случаев для измерений можно использовать две электроразведочные косы (многожильный коммутирующий кабель), которые подсоединяются к прибору (см. рис. 29). Косы укладываются вдоль профиля наблюдений. Измерения начинаются с электродов (или с приёмников MN), расположенных в начале профиля – 1, 2 и т. д. После отработки первого электрода (или приёмника M₁N₁) он передаётся в конец второй косы. Как только коса 1 отработана, начинаются замеры с косой 2, а коса 1 сдвигается на следующий пикет вперёд по профилю. После измерения на второй косе первая коса уже на новом месте, можно проводить измерения и перетаскивать косу 2 на новое место. При этом переставляется всего один электрод, а процесс укладки кос идёт практически непрерывно. Такая технология даёт высокую производительность и отличное качество полевых данных. Аналогичную схему можно выработать для второго случая, только теперь косы будут подсоединяться к измерительным электродам.

Один шаг (сдвиг) описанной выше методики СЭЗ изображён на рис. 29. Сверху изображён случай с неподвижным приёмником, снизу – с фиксированным источником. Помимо положений электродов на рисунке изображены маркеры (треугольники), каждый из которых соответствует одной четвёрке электродов ABMN. Другими словами – это условные точки измерения каждой из множества получаемых установок. Слева на рис. 29 представлено начальное положение электродов (первая расстановка) и соответствующие маркеры. Справа – сдвинутая расстановка, на которой демонстрируются старые (серые) положения электродов и точки измерения (серые маркеры), а также новая расстановка с соответствующими маркерами. Видно, что если сдвигать электроды дальше, то мы получим Сплошные электрические зондирования (полностью заполненную маркерами область) до определённой глубины.

Применение электроразведочных кос и развитие аппаратурной базы позволили реализовать следующую идею: использовать в качестве питающих и измерительных электродов одни и те же фиксированные на профиле заземления. Это привело к более современной модификации метода сопротивлений – Электротомографии. Она позволяет получать сплошную картину зондирования одной расстановкой электродов (как в СЭЗ с многократным сдвигом установки) и нацелена на изучение сложно построенных сред с применением инверсии в рамках двумерных и трёхмерных моделей.

Электротомография (ЭТ) – это целый комплекс, включающий в себя как методику полевых наблюдений, так и технологию обработки и интерпретации полевых данных. Как уже говорилось, её особенностью является многократное использование в качестве питающих и измерительных одни и те же фиксированные на профиле положения электродов. Количество их может достигать нескольких десятков и сотен штук. Такой подход позволяет, с одной стороны, работать с современной высокопроизводительной аппаратурой, а с другой ‒ применять эффективные алгоритмы моделирования (решения прямых задач) и инверсии. Интерпретацию данных электротомографии можно проводить в рамках двумерных и трёхмерных моделей. Это принципиально расширяет круг решаемых электроразведкой задач, за счёт исследования сред, значительно отличающихся от «классических» горизонтально-слоистых.

Можно отметить некоторые методические особенности ЭТ. Как и СЭЗ в электротомографии используется линейный шаг по разносам, позволяющий многократно использовать одни и те же места заземлений, что в свою очередь обеспечивает высокую плотность наблюдений. С другой стороны, применение электроразведочных кос приводит к небольшому, в сравнении с методом ВЭЗ, диапазону разносов, который определяется числом используемых в установке электродов и расстоянием между ними. Это, естественно, ограничивает и интервал изучаемых глубин. Несомненным плюсом ЭТ является возможность комбинирования различных электроразведочных установок, которое практически не встречается при работах методом ВЭЗ. Тем самым удаётся увеличить объём независимых измерений электрического поля, используя различные виды возбуждения и приёма электрического поля, и компенсировать недостатки отдельных установок, существенно повышая надежность инверсии.

Разрешающая способность (т. е. количество деталей геоэлектрического разреза, устойчиво проявляющихся в электрическом поле), как и в классических методах ВЭЗ, тесно связана с плотностью измерений на одном профиле, т. е. расстоянием между электродами. В свою очередь увеличение разрешающей способности обычно приводит к уменьшению общей глубинности метода. Для достижения максимальной эффективности при проведении полевых работ применяется специальная многоэлектродная аппаратура с программируемой автоматической коммутацией электродов (обычно от 48 штук). В настоящее время наиболее известными из них являются Скала‑48, Скала‑64, Syscal Pro и др [3]. Такая аппаратура поочерёдно коммутирует и опрашивает различные комбинации электродов по заранее запланированному оператором сценарию (последовательности, протоколу), которые создаются в специальных программах (например, SiberTools, x2ipi, ZondProtocol, RiPPP и др.). Таким образом, в результате измерений получают информацию о распределении кажущегося удельного электрического сопротивления по разрезу. При работах на длинных профилях после проведения измерений с одной расстановкой электродов физически перемещается только часть электродов, чаще всего относящихся к одной из кос. В связи с этим для существенного сокращения времени измерений применяют системы, состоящие из нескольких (двух) кос.

На рис. 30 иллюстрируется технология электротомографии: приведена типичная схема измерения двумя косами с последующим переносом первой косы и прибора для непрерывного продолжения профиля. Как и при описании СЭЗ, помимо положений электродов на рисунке изображены маркеры (треугольники), каждый из которых соответствует одной четвёрке электродов ABMN. Одна из таких комбинаций представлена на рисунке, а соответствующий маркер (точка измерения) выделен увеличенным размером. Маркеры чёрного цвета относятся к регулярной (первой) расстановке электродов, расположенных на двух первых косах и использующих полную (single) систему измерений (см. рис. 30, коса 1 и 2). После проведения всех запланированных измерений на этой раскладке прибор и коса 1 (или дополнительная коса) вместе с электродами переносятся в следующее положение. В результате получаем расстановку, состоящую из кос 2 и 3. Маркеры, соответствующие новой расстановке, и коса 3, продолжающая профиль, выделены серым цветом. Теперь оператор должен учесть при планировании последовательности измерений, что часть измерений (под косой 2) уже есть. Такую технологию называют нагоняющим измерением (roll-along). Таким образом, профиль можно продолжить до необходимой длины.

Рис. 30. Принцип измерений при электротомографии: типичная схема измерения двумя косами с последующим переносом первой косы и прибора для непрерывного продолжения профиля

Современное аппаратурное и программное обеспечение электротомографии поддерживает большинство установок, известных из метода ВЭЗ: Шлюмберже, Веннер, трёхэлектродные и др. (см. п. 2.1). Каждую установку с помощью численного моделирования (решения прямых и обратных задач) можно исследовать на предмет чувствительности к различным моделям. Например, известно, что установка Веннера характеризуется высоким уровнем сигнала, хорошей чувствительностью к горизонтальным границам, плохой чувствительностью к вертикальным границам. Дипольная установка характеризуется низким уровнем сигнала, хорошей чувствительностью к вертикальным границам, средней чувствительностью к горизонтальным границам. Установка Шлюмберже обладает одинаковой чувствительностью к горизонтальным и вертикальным границам, являясь компромиссом между установками Веннера и дипольной. Трёхэлектродная установка, как и дипольная, имеет большую чувствительность к горизонтальным неоднородностям (вертикальным границам). Наилучшие же результаты при инверсии данных ЭТ могут быть получены при комбинировании различных типов установок с последующей совместной инверсией.

Параллельно с появлением многоэлектродных электроразведочных станций, реализующих плотные 2D томографические измерения, появлялись алгоритмы и их программные реализации, специализированные на моделировании и инверсии данных электротомографии в сложных (двух- и трёхмерных) средах. Для решения прямой задачи можно привести Res2DMod, ZondRes2d; для инверсии ‒ Res2DInv, ZondRes2d, ERT Lab. В данном пособии разберём использование программы Res2DMod для решения прямой задачи ЭТ, что позволит лучше понять принципы работы многоэлектродных методик, изучить чувствительность и разрешающую способность различных установок к заданной модели среды.

На рис. 32 представлены фрагменты сеток, которые используются в программе Res2DMod для расчёта прямой задачи электротомографии. Слева приводится более густая сетка, где межэлектродное расстояние дробится на четыре части, справа – на две. Данные метода сопротивлений отвечают логнормальному закону распределения, поэтому для оптимизации требуемых для расчёта ресурсов, частота горизонтальных линий увеличивается с глубиной, что и можно наблюдать на рис. 32.

Заготовки с параметрами сеток и моделей двумерной среды со значениями УЭС чаще всего делаются вручную в любом текстовом редакторе, а потом уже корректируются с помощью инструментов программы Res2DMod. Файлы с такими заготовками имеют собственный формат и расширение *.mod. Структура этого формата разобрана и описана в табл. 4 на примере модели однородного полупространства HalfSpace.mod.

Некоторые строки можно записывать в одну, используя запятую в виде разделителя. Например, можно объединить 2 и 3 строку, в результате запишется 36, 10; или строки 7‒9 можно записать в одну как 0, 140, 3.

Теперь мы можем создать файл с описанной сеткой и моделью однородного полупространства с сопротивлением 10 Ом·м. Для этого нужно создать файл HalfSpace.mod и скопировать или внести данные из первого столбца таблицы с описанием структуры, представленной выше. При создании нужно не забыть, что в строках с 14 по 27 нужно ввести 140 нулей в каждой из них (можно больше, нельзя меньше). В строке 28 оставим 1, что соответствует установке Веннер (α). Закончить файл необходимо пятью строками с одним нулём в каждой. После редактирования нужно сохранить файл HalfSpace.mod. Созданный файл с расчётной сеткой и моделью однородного полупространства можно использовать в программе Res2DMod.

Для начала работы в Res2DMod необходимо скачать её с сайта разработчика (https://www.geotomosoft.com/r2dmodwin.zip) и установить. Запустив программу, можно увидеть привычное для пользователей ОС Windows главное меню (см. рис. 33). Чтобы загрузить созданную ранее расчётную сетку и модель, нужно выбрать пункт File→Read file with forward model, после этого кликнуть файл HalfSpace.mod.

Рис. 33. Меню программы Res2DMod

В случае удачного прочтения сетки и модели в окне программы отобразится некоторая полученная из файла информация (название модели, количество электродов и т. д.). На последней строке будет сообщение о завершении чтения файла (Reading of data file is complete). Также появится окно-сообщение с указанием пути к прочитанному файлу: Completed reading of data file C:\…\HalfSpace.mod. Если в параметрах сетки или модели будут ошибки, то строчки Reading of data file is complete не будет и появится окно-сообщение об ошибке, где чаще всего указывается возникшая проблема.

После успешной загрузки файла HalfSpace.mod с параметрами сетки и модели можно приступать к просмотру, редактированию модели и расчёту прямой задачи ЭТ. Для просмотра модели необходимо выбрать пункт меню Edit→Display model. В результате отобразится разрез без сетки, который невозможен редактирования. В нашем случае это одноцветная (цвет соответствует заданному сопротивлению 10 Ом·м) прямоугольная область. Чтобы изменить модель, нужно выбрать пункт Edit→Edit model, после чего появится модель с расчётной сеткой (см. рис. 34). Сверху по горизонтали отложена ось X, на которой указаны расстояние по профилю в метрах. Деления соответствуют межэлектродному расстоянию (в нашем случае 1 м). Видно, что длина профиля составляет 35 м, что согласуется с заданными параметрами установки (36 электродов). Можно заметить, что в горизонтальном направлении между соседними электродами по 4 сектора сетки, как и было прописано в файле. В вертикальном направлении слева отложена ось Z, где указываются значения глубин. Над моделью слева указано три значения УЭС: 10, 100 и 500 Ом·м. Эта информация также прочитана верно из 9-й и 11-й строк файла HalfSpace.mod.

Находясь в режиме Edit Model, можно приступать к редактированию модели, изменяя УЭС блоков сетки интерактивно с помощью мыши и клавиатуры. Для этого нужно навести курсор на элемент сетки, который необходимо поменять, и нажать правую кнопку мыши. Цвет блока изменится на белый. Это означает, что в этом блоке не задано никакое из представленных значений сопротивления. После этого необходимо выбрать одно из значений УЭС: кликнуть левой кнопкой мыши по одному из цветных прямоугольников, которые находятся над моделью слева, рядом со значениями сопротивлений (в нашем случае 10, 100 и 500 Ом·м). В результате белый выделенный блок приобретёт цвет, отвечающий выбранному сопротивлению. Таким образом можно изменять УЭС некоторой области в модели: выделить группу блоков и присвоить им нужное сопротивление.

Рис. 34. Режим редактирования модели однородного полупространства в программе Res2DMod

Чтобы упростить работу с большими расчётными сетками и сложными моделями, в программе реализована возможность использовать горячие клавиши для выделения сразу группы блоков:

• левая кнопка мыши – выделение 4 блоков вправо от курсора мыши;

• D – выделение столбца блоков вниз от курсора до границы модели;

•] – выделение строки блоков вправо от курсора до границы модели;

• [– выделение строки блоков влево от курсора до границы модели;

•} – выделение всех блоков вправо и вниз от курсора до границ модели;

• {– выделение всех блоков влево и вниз от курсора до границ модели.

Помимо изменения сопротивления выделенной области модели в программе Res2DMod можно добавлять значения сопротивлений через пункт меню Edit→Add new model resistivity. В появившееся диалоговое окно нужно ввести новое значение УЭС (под надпись Please type in the new model resistivity value) и нажать «OK» или клавишу Enter. Если вернуться в режим редактирования, то можно будет увидеть дополнительный цветной прямоугольник (рядом с имеющимися ранее) и соответствующее значение УЭС над ним. Теперь это значение можно использовать при дальнейшем редактировании модели. Максимальное количество значений УЭС, используемых в модели – 16.

Используя приведённые инструменты редактирования и файл HalfSpace.mod, можно создать модель полупространства (10 Ом·м) с прямоугольным объектом, лежащем от 16 до 19 м по горизонтали и от 1 до 2,2 м по вертикали с сопротивлением 500 Ом·м (см. рис. 35, снизу). Чтобы не утратить первоначальную модель полупространства, перед редактированием её нужно сохранить в новый файл, например, Block500.mod, используя пункт меню File→Save results in RES2DMOD format. После того как модель с объектом (блоком сопротивлением 500 Ом·м) создана, её можно открыть в текстовом редакторе, где можно увидеть, что помимо нулей в строках с 14 по 27 появились числа «2», которые соответствуют заданному блоку с УЭС 500 Ом·м (см. табл. 4 с описанием структуры файлов*.mod, строки с 14 по 27).

Не стоит забывать, что при расчёте прямой задачи помимо расчётной сетки и модели среды участвуют параметры установки. Их можно редактировать в оболочке программы Res2DMod (см. рис. 36).

Рис. 35. Режим редактирования модели однородного полупространства с непроводящим блоком и рассчитанные кажущиеся значения УЭС в программе Res2DMod
Рис. 36. Окно выбора типа установки и её параметров

Для редактирования параметров установки необходимо воспользоваться пунктом меню Edit→Change array type. В появившемся окне (см. рис. 36) можно выбрать нужный тип установки, поставив точку напротив соответствующего пункта (в нашем случае – это Wenner Alpha). Также есть возможность задать количество приёмных и питающих линий (Number of ‘a’ spacings и Number of ‘n’ values соответственно; см. рис. 31). Остальные параметры оставим для самостоятельного изучения.

После редактирования модели и выбора установки (в нашем случае, если ничего не менять, это установка Веннер (α) с 36 электродами, межэлектродное расстояние 1 м) можно приступать к расчёту прямой задачи ЭТ: пункт меню Model Computation→Calculate potential values. После расчёта появится информационное окно, в котором сообщается, что расчёт завершён (Calculations is completed) и выводится затраченное время. Результатом будет псевдоразрез кажущегося УЭС. Посмотреть его можно используя пункт меню Edit→Display model. Выбрав этот пункт, увидим диалоговое окно, где нужно выбрать способ (масштаб) отображения изолиний вычисленного кажущегося сопротивления (линейный, логарифмический и т. д.). По умолчанию точка стоит напротив логарифмических интервалов между изолиниями (Logarithmic contour intervals). В большинстве случаев на геоэлектрических разрезах используют именно логарифмическую шкалу, поэтому оставим этот вариант, нажав OK или клавишу Enter. Отобразится псевдоразрез кажущегося УЭС сверху в виде изоом, под ним автоматически приводится модель среды (см. рис. 35) без сетки. Если прямая задача рассчитана один раз для текущей (открытой) модели, то псевдоразрез будет изображаться и в режиме редактирования, только теперь отобразится расчётная сетка и появится возможность редактирования модели.

На рис. 35 видно, что над псевдоразрезом указывается название модели и в скобочках тип установки, указанные в файле Block500.mod. В обоих случаях (модель и разрез) по горизонтали отложена ось X, на которой указаны расстояние по профилю в метрах, по вертикали (ось Z) – глубина. Под псевдоразрезом, который представлен в виде карты изоом, слева расположена цветовая шкала значений кажущегося сопротивления. Изоомы – это линии равных значений УЭС, которые проводятся методами интерполяции по дискретным (отдельно стоящим, рассчитанным в прямой задаче) значениям сопротивлений в точках разреза. Области между парами изолиний закрашиваются цветом, который соответствует одному из двух сопротивлений. Цветовую палитру шкалы можно выбирать произвольно, но в электроразведке для выделения зон пониженных сопротивлений принято применять различные тона синего, голубого, зелёного (холодные цвета), а зоны повышенных сопротивлений раскрашиваются тёплыми цветами: различные оттенки красного, коричневого, оранжевого. Есть исключения. Например, при изучении мёрзлых пород чаще всего используют обратную палитру: синий – изолятор, красный – проводник.

Видно, что в районе непроводящего объекта (500 Ом·м) сосредоточены изолинии с повышенным УЭС (тёплые цвета), что соответствует заданной модели среды. Затем они плавно переходят в холодные цвета, что отвечает проводящей вмещающей среде. Полученный расчёт можно сохранить в тот же файл Block500.mod. Сделаем это используя пункт меню File→Save results in RES2DMOD format. Теперь в нём будут содержаться рассчитанные (результат решения прямой задачи) и отображаемые на псевдоразрезе значения потенциала электрического поля и кажущееся УЭС, которые при следующем открытии будут подгружаться автоматически без пересчёта (это было важно, когда компьютеры были не столь мощные).

Мы научились с помощью программы Res2DMod создавать расчётные сетки, геоэлектрические модели и решать прямую задачу для современной модификации метода сопротивлений – электротомографии. Как и в случае одномерных ВЭЗ, можно оперировать полученными данными, вычисляя относительные отклонения rel.dev (см. п. 2.3). Но теперь это будут не единичные кривые, а двумерные разрезы. Такой анализ можно делать с помощью программ MS Excel, а для визуализации (построение двумерных карт) полученных данных можно использовать Surfer. Разберём один из примеров.

Используя программу Res2DMod, решим задачу на чувствительность метода электротомографии: определить объект с заданными размерами какого сопротивления можно выделить в однородном полупространстве с сопротивлением 10 Ом·м, если точность прибора составляет 5 %. Использовать объект и установку как в разобранной выше модели Block500.mod (прямоугольник от 16 до 19 м по горизонтали и от 1 до 2,2 м; установка Веннер (α) с 36 электродами, между электродами 1 м; см. рис. 35‒36).

Аналогично случаю одномерных ВЭЗ, сначала нужно решить прямую задачу ЭТ для модели неизменённой среды. В данном случае – это модель полупространства с сопротивлением 10 Ом·м. В результате будет получен набор значений УЭС \( {ρ}_{k}^{нач} \), по которому строится псевдоразрез в виде карты изоом. Затем то же самое нужно сделать для изменённой среды с объектом – рассчитать прямую задачу в программе Res2DMod – получить значения \( {ρ}_{k}^{изм} \). Сравнивая два полученных набора, можно вычислить их отклонения (rel.dev) относительно друг друга и провести дальнейший анализ. В случае одномерных ВЭЗ – это были кривые, зависящие от разноса. При анализе рассчитанных (или модельных, или теоретических) данных ЭТ можно построить двумерное распределение для визуальной оценки, найти области максимальных ошибок и сравнить с заданным уровнем.

Мы уже разобрали, как изготавливается сетка и модель, у нас есть готовый файл с параметрами установки и среды однородного полупространства с сопротивлением 10 Ом·м – HalfSpace.mod. Рассчитаем прямую задачу ЭТ (Model Computation→Calculate potential values) и экспортируем рассчитанные данные с помощью пункта меню File→Save results in RES2DINV format. В появившемся окне необходимо ввести имя файла с расширением *.dat, формат которого предназначен для программы инверсии данных ЭТ RES2DINV, к которой мы вернёмся позже. Для удобства назовём его идентично модели – HalfSpace.dat. После ввода имени нужно нажать кнопку «Cохранить» или клавишу Enter, появится диалоговое окно Choose noise level, где можно выбрать уровень шума. Нам это пока не требуется, и мы нажимаем ОК или клавишу Enter. Полученный файл можно открыть в MS Excel, указав, что разделителями являются пробелы (файл Block.xlsx). В первой строке данных, как и в формате файлов *.mod, указано название модели HalfSpace, а в четвёртой указано количество рассчитанных значений УЭС – 198 (точек измерения, маркеров). Именно такое количество данных нужно анализировать. Они начинаются с седьмой строки и располагаются в трёх столбцах: первый – расстояние по профилю (координата X); второй – условная глубина (координата Z) и третий – ρ_k. Для удобства нужно скопировать эти три столбца (без первых шести строк) на новый лист и обозначить их X, Z и Block10 (что соответствует сопротивлению блока 10 Ом·м и равно сопротивлению вмещающей среды). Мы подготовили набор значений УЭС \( {ρ}_{k}^{нач} \) для сравнения с \( {ρ}_{k}^{изм} \), которые нужно рассчитать в изменённой среде с объектом. Это мы сделаем следующим шагом.

Для получения \( {ρ}_{k}^{изм} \) решим прямую задачу ЭТ в случае изменённой среды (с объектом). Прежде всего необходимо добавить в модель полупространства с сопротивлением 10 Ом·м (HalfSpace.mod) значение сопротивления близкое к вмещающей среде, например, 50 Ом·м (Edit→Add new model resistivity). Затем нужно создать заданный в условиях задачи объект: в режиме редактирования мышкой выделить область и присвоить ей значение УЭС 50 Ом·м. Сохраним модель в файл Block50.mod. Теперь можно рассчитать прямую задачу ЭТ (Model Computation→Calculate potential values). По аналогии с прошлым расчётом, экспортируем данные в Block50.dat в формат RES2DINV и откроем их в MS Excel. В связи с тем, что установка остаётся неизменной и точки измерения совпадают, то нам понадобится не три столбца с координатами и соответствующими УЭС, а только последний. Нужно скопировать этот столбец на подготовленный ранее лист с данными ЭТ для неизменённой среды. Для самопроверки лучше \( {ρ}_{k}^{изм} \) разместить рядом с \( {ρ}_{k}^{нач} \) и обозначить Block50 (что соответствует сопротивлению блока 50 Ом·м). Количество строк (значений УЭС) должно совпасть. Как и в случае ВЭЗ, в MS Excel можно найти столбец относительных отклонений rel.dev. двух имеющихся наборов \( {ρ}_{k} \) (см. формулу в 2.3), для каждой точки измерения. Таким образом, мы получили возмущения, которые возникают в данных ЭТ, при внесении в однородное проводящее полупространство (10 Ом·м) объекта с сопротивлением 50 Ом·м заданных размеров. Назовём этот столбец rel.dev.50 – относительное отклонение при сопротивлении блока 50 Ом·м.

Один из способов оценки рассчитанных отклонений rel.dev. – это построение значений ошибки в зависимости от одной из координат: X – распределение по профилю (см. рис. 37, чёрные квадраты) или Z – по глубине. Мы рассмотрим первый случай. Такие построения можно сделать в MS Excel с помощью соответствующего типа диаграммы (точечная), выбрав в качестве данных колонки X и найденные отклонения. На построенной диаграмме (см. рис. 37) по оси абсцисс отложено расстояние по профилю, а по оси ординат – величина отклонения в процентах. Видно, что максимальные отклонения возникают в центральной части профиля, над объектом и достигают 20 %. Поэтому можно сделать вывод, что объект таких размеров и сопротивления 50 Ом·м методом ЭТ может быть выявлен, потому что возмущения, которые возникают в данных ЭТ, при внесении в однородное проводящее полупространство (10 Ом·м) объекта с сопротивлением 50 Ом·м значительно превышают 5 % – точность прибора. Нам же нужно определить предел чувствительности метода ЭТ к объекту таких размеров. Для этого нужно уменьшать сопротивления до тех пор, пока отклонения не упадут до заданной по условию точность прибора – 5 %.

Используя программу Res2DMod, рассчитаем ещё две прямые задачи ЭТ в программе для объектов с сопротивлением 20 и 15 Ом·м, предварительно создав соответствующие модели (Block20.mod и Block15.mod). Полученные значения \( {ρ}_{k} \) экспортируем в *.dat файлы по уже привычной схеме и скопируем их на лист MS Excel, который мы создали ранее, в соседние с имеющимися столбцами. Новые колонки обозначим Block20 и Block15 соответственно. После этого по той же схеме, что и ранее, можно рассчитать ещё два столбца отклонений для каждого из приведённых случаев, относительно данных, вычисленных над неизменённой средой – \( {ρ}_{k}^{нач} \). Полученные столбцы назовём rel.dev.20 и rel.dev.15. Все три ошибки изобразим в одной системе координат (см. рис. 37). Это можно сделать, добавив данные на уже имеющуюся диаграмму, которую мы построили для случая, когда сопротивление объекта равно 50 Ом·м. При построении будем использовать разные оттенки серого (чем темнее, тем больше сопротивление) и разные фигуры: 15 Ом·м – ромбы, 20 Ом·м – кружки, 50 Ом·м – квадраты. Видно, что с уменьшением контраста (разницы) между сопротивлением объекта и вмещающей среды, относительные отклонения падают. В случае, когда блок имеет УЭС 15 Ом·м (см. рис. 37, ромбы), максимальные значения ошибки находятся вблизи 5 %. Поэтому можно утверждать, что мы нашли предел чувствительности метода ЭТ для данного случая. Другими словами, при сопротивлении объекта меньше 15 Ом·м и точности прибора 5 % методом ЭТ выявить объект рассмотренных размеров будет затруднительно. Результат проделанных действий можно сохранить в файл *.xlsx и сравнить с шаблоном Block.xlsx.

Рис. 37. Анализ чувствительности метода ЭТ: распределение rel.dev по профилю

Построение ошибок в зависимости от одной из координат не единственный подход для анализа чувствительности и решения других методических задач электротомографии. Более наглядный способ – построение двумерного (зависящего от двух координат) распределения относительного отклонения в изолиниях (см. рис. 38) с помощью специализированных программ для создания таких карт-разрезов, например, Surfer фирмы Golden Software. Чтобы построить двумерное распределение, нужно создать грид-файл в специальном формате с расширением *.grd. Для этого в программе Surfer необходимо выбрать пункт меню Grids→Grid Data и в диалоговом окне выбрать файл данных (в нашем случае Block.xlsx, созданный выше). Затем появится окно с настройками создаваемого грида, где указываются данные X, Y и Z (Data Columns), имя файла и путь к нему (Output Grid). В качестве первых двух будет расстояние по профилю и глубина – два столбца файле Block.xlsx, обозначенные нами как X и Z. Данными Z в гриде (не путать со столбцом глубин!) следует назначить рассчитанные относительные отклонения одного из случаев, например, столбец rel.dev.15. Выбрав нужные данные и назначив имя, нужно нажать OK или клавишу Enter. Произойдёт генерация и сохранение грида в файл с расширение *.grd. С использованием его строится двумерное распределение относительной ошибки с помощью инструмента в программе Surfer – карта изолиний (Contour Map). Предполагается, что студент уже имеет опыт работы в программе Surfer, поэтому не будем останавливаться на таких построениях подробно.

На рис. 38 представлено двумерное распределение относительного отклонения в изолиниях для случая, когда сопротивление объекта 15 Ом·м (rel.dev.15 в зависимости от координат X и Z). Цвету соответствует величина относительного отклонения: чем темнее, тем больше ошибка.

Рис. 38. Анализ чувствительности метода ЭТ: двумерное распределение rel.dev по разрезу

На построенной карте выделены две изолинии (чёрные линии), где цифрами обозначены соответствующие значения ошибок (1 и 3,5 %). Белый контур – изолиния уровня 5 %, а всё что внутри – превышает этот порог. Помимо этого, поверх карты белыми точками нанесён контур объекта. Можно видеть, что максималь ные значения отклонения относятся к центру объекта по горизонтали и распределяются ниже по глубине. Область, где отклонение превышает 5 % сопоставима с размерами объекта. Уменьшая сопротивление объекта, 5-процентная зона будет сужаться, что отрицательно скажется на определении размеров объекта. При увеличении УЭС объекта 5-процентная зона будет расширяться, что можно проверить, построив двумерное распределение отклонения данных рассчитанных для модели полупространства относительного данных полученных для модели с объектом 20 или 50 Ом·м.

Нетрудно догадаться, что если в программе Surfer при создании грида в качестве данных Z взять столбец с рассчитанными значениями сопротивлений (мы их обозначили Block50, Block20 и Block15 в файле Block.xlsx), то можно построить карту изоом кажущихся значений УЭС. Построенные таким образом двумерные распределения УЭС будут идентичны приводимым в программе Res2DMod псевдоразрезам кажущегося УЭС (см. рис. 35).

Стоит сказать, что разобранный пример всего лишь идеализированный случай, на котором показан принцип работы с прямой задачей ЭТ, как и в случае одномерных ВЭЗ.

Таким образом, с помощью прямой задачи электротомографии, в частности, используя программу Res2DMod, можно решать различные методические задачи: исследовать разрешающую способность и чувствительность к заданным объектам, находить оптимальный разнос и т. д. Но зачастую применяют другой подход, с использованием обратной задачи ЭТ: на первом этапе проводится прямое моделирование, на втором используется обратная задача для оценки качества восстановления исходной (заданной в прямой задаче) модели. Для инверсии томографических данных создано и продолжает разрабатываться множество программ: Res2DInv, ZondRes2d, ERT Lab и др. Мы разберём одну из них – Res2DInv, которую можно считать мировым эталоном двумерной интерпретации данных электротомографии.

Первое, что необходимо сделать – прочесть файл с данными, для которых нужно решить обратную задачу. Это можно сделать с помощью пункта меню File→Read data file, после чего появится диалоговое окно, где можно найти и выбрать необходимый текстовый файл с расширением *.dat. Программа Res2DInv распознаёт данные, сформированные в определённом формате. Такие файлы можно создать в любом текстовом редакторе, но чаще всего они изготавливаются в специализированных программах (обычно поставляемых с аппаратурой, например, SiberTools, RiPPP) и часто не требуют редакции. Но всё же их структуру необходимо представлять.

Как мы знаем, электротомография обычно выполняется стандартной системой наблюдений, в которой электроды расположены вдоль линии с постоянным шагом между электродами. Такими установками являются Веннера, двухэлектродная, дипольная осевая, трёхэлектродная, Шлюмберже и дипольная экваториальная. В дополнение к обычным при решении обратной задачи поддерживаются нестандартные установки с почти неограниченным числом возможных расположений электродов. В связи с этим в зависимости от типа установки делятся файлы данных ЭТ.

Разберём структуру файлов с двумя основными типами данных ЭТ, которые используются в программе Res2DInv и имеют расширение *.dat. Первый предназначен для стандартных установок, а второй используется при работе с обобщёнными (нестандартными) томографическими системами. Первый формат построчно разобран в табл. 5 на примере экспортированных нами ранее данных для среды с объектом сопротивления 15 Ом·м и вмещающей средой 10 Ом·м – файл Block15.dat, сгенерированный программой Res2DMod. Первые шесть строк данного формата содержат описание установки (разнос, тип установки) и данных (количество данных, тип данных). Затем идут данные, количество которых указано в четвёртой строке. В данном формате указана координата X, разнос (от него напрямую зависит координата Z) и значение УЭС для каждой точки измерения.

Стоит отметить, что программа Res2DInv предполагает увеличение координаты X на псевдоразрезе слева направо. Если координаты X в данных организованы по-другому, то псевдоразрез на экране отобразится неправильно (будет перевёрнут).

Посмотреть описанную структуру для стандартных установок можно открыв файл Block15.dat в любом текстовом редакторе. Можно заметить, что в этом файле под данными первого типа, после строки General array format, записаны координаты и сопротивления для обобщённого типа установок. На основе этих данных сформирован файл второго типа Block15_General.dat и разобран в табл. 6.

Как и в первом случае, сначала идёт описание установки, где помимо обобщённого типа (строка 3) указывается индикатор подтипа установки (строка 4). Он используется тогда, когда конфигурация электродов близка к известной установке. В нашем случае 1, потому что использовалась установка Веннер. Но основное отличие от формата для стандартных установок – это представление координат: указывается количество электродов, координата X и высота (если используется рельеф) всех электродов, используемых при измерениях. В нашем случае для 4-электродной установки Веннера строка данных начинается с количества электродов в установке – 4, далее идут координаты X в паре с высотой (в нашем случае рельеф отсутствует, значит 0) двух генераторных, двух приёмных электродов, и последним в строке данных указано значение кажущегося УЭС. Количество таких строк равно общему числу точек измерений – 198 (строка 7).

Любой из представленных выше форматов файлов *.dat можно открыть в программе Res2DInv и провести инверсию данных. Мы воспользуемся первым типом и с помощью пункта меню File→Read data file загрузим файл Block15.dat. При успешном прочтении в окне программы отобразится информация о загруженных данных и появится окно-сообщение Reading of data file is complete. Иначе появится сообщение об ошибке, где чаще всего описана её причина. Устранить указанную неточность в структуре данных можно открыв файл в любом текстовом редакторе.

Если данные прочитаны успешно, то можно приступать к решению обратной задачи. Не трогая настройки, произведём инверсию с помощью пункта меню Inversion→Least-squares inversion. Появится диалоговое окно, где будет предложено сохранить результаты инверсии. По умолчанию это файл, имя которого совпадает с загруженными данными и расширением *.inv – Block15.inv. Соглашаемся и нажимаем кнопку «Сохранить» или клавишу Enter. В окне программы появятся результаты инверсии в виде трёх разрезов (см. рис. 41): первый сверху – псевдоразрез измеренного кажущегося сопротивления (Measured Apparent Resistivity Pseudosection); второй – псевдоразрез вычисленного кажущегося сопротивления (Measured Apparent Resistivity Pseudosection), третий – геоэлектрический разрез (модель), полученный в результате решения обратной задачи – инверсии (Inverse Model Resistivity Section). На каждом разрезе отложено расстояние по профилю и глубина. Под картами изоом, внизу приведена, общая для всех, цветовая шкала значений УЭС.

Над полученной моделью (Inverse Model Resistivity Section) указывается итерация, на которой остановилась инверсия и среднеквадратическое отклонение (RMS) рассчитанных от экспериментальных данных. В данном случае понадобилась одна итерация (Iteration 1), а RMS = 0,67 %. Такой качественный подбор за одну итерацию обусловлен простотой модели и использованием рассчитанных в Res2DMod данных в качестве экспериментальных. Такие данные называют синтетическими, модельными или теоретическими.

Рис. 41. Наблюдённый и рассчитанный псевдоразрезы кажущегося сопротивления для данных Block15.dat вместе с моделью, полученной в программе Res2DInv

На последний разрез нанесён прямоугольник размером 3×1,2 (точечный контур; см. рис. 41) – объект сопротивления 15 Ом·м, соответствующий начальной модели Block15.mod, которая использовалась для генерации файла данных (при решении прямой задачи). Проведя инверсию и сравнивая контур объекта и зону повышенных сопротивлений (наиболее тёмная область на карте изоом), можно сделать ряд выводов. Во-первых, нельзя с хорошей точностью восстановить сопротивление объекта: в центре аномалии кажущееся сопротивление имеет значение 11 вместо 15 Ом·м. Во-вторых, плохо определяется нижняя граница объекта: изолиния, соответствующая относительно высоким сопротивлениям (например, 11 Ом·м), уходит гораздо глубже нижней кромки объекта. В-третьих, с хорошей точностью восстанавливаются верхняя граница объекта и его горизонтальные размеры. Приведённые выводы справедливы для установки Wenner(a) с межэлектродным расстоянием 1 м. Аналогичные исследования можно проводить для любой стандартной или обобщённой установки изменяя её параметры (см. рис. 31, 36), которые доступны в программах Res2DMod и Res2DInv.

Качество восстановления геоэлектрической модели может зависеть не только от параметров установки (минимальный разнос, максимальный разнос и др.), но и от её типа. При инверсии реальных полевых данных не стоит забывать о таких факторах, как помехи, уровень сигнала, опыт оператора и др. В ряде работ [3; 14; 16] подробно исследуются возможности стандартных установок с учётом всего перечисленного. Например, установка Веннера характеризуется высоким уровнем сигнала, хорошей чувствительностью к горизонтальным границам, плохой чувствительностью к вертикальным границам. Дипольная (Dipole-Dipole) установка характеризуется низким уровнем сигнала, хорошей чувствительностью к вертикальным границам, средней чувствительностью к горизонтальным границам. Установка Шлюмберже обладает одинаковой чувствительностью к горизонтальным и вертикальным границам, являясь компромиссом между установками Веннера и дипольной. Двухэлектродная установка (Pole-Pole) обладает наибольшей глубинностью, однако имеет наихудшее разрешение и существенную зашумленность. Трёхэлектродная установка (Pole-Dipole), так же как и двухэлектродная, имеет большую глубинность, сочетая это с помехоустойчивостью и высоким уровнем сигнала. Аналогично дипольной трёхэлектродная установка имеет большую чувствительность к горизонтальным неоднородностям. Наибольшую эффективность даёт комбинирование различных установок, например, Шлюмберже и дипольной. Это повышает как разрешающую способность, так и помехоустойчивость. Все эти утверждения можно проверить используя пакет программ Res2DMod и Res2DInv для двумерного прямого моделирования и инверсии данных метода ЭТ.

Разберём исследование возможностей нескольких стандартных установок на простом примере Block500.mod – модель среды с уже известным нам прямоугольным объектом 3×1,2 м с сопротивлением 500 Ом·м, погруженным в однородное полупространство с сопротивлением 10 Ом·м. Будем действовать аналогично разобранному выше случаю для модели Block15.mod, где для расчёта прямой задачи мы применили установку Wenner(a).

Первое что нужно сделать – это сгенерировать (решить прямую задачу ЭТ) модельные данные в программе Res2DMod для нескольких установок. Для исследования выберем потенциал установку (Pole-Pole), Веннер (α), Шлюмберже и осевую дипольную (Inline Dipole-Dipole). Сначала загрузим модель Block500.mod в программу Res2DMod. В файле модели установлено, что будет использоваться установка Веннер (α). В этом можно убедиться, открыв окно выбора типа установки и её параметров: Edit→Change array type. В появившемся окне (см. рис. 36) точка будет стоять напротив установки Wenner Alpha. Не меняя никакие параметры, нажимаем кнопку OK. Теперь мы можем решить прямую задачу электротомографии – пункт меню Model Computation→Calculate potential values. Затем нужно сохранить вычисленные данные: File→Save results in RES2DINV format. Назовём эти данные в соответствии с установкой: Block500-Wa.dat.

Таким же образом нужно вычислить и сохранить данные для остальных установок. Для этого опять загрузим файл Block500.mod в программу Res2DMod или продолжим работу, если файл был открыт ранее. Затем выберем уже упомянутый пункт меню Edit→Change array type. В появившемся окне ставим точку напротив двухэлектродной установки (Pole-Pole) и нажимаем OK. Решаем прямую задачу (Model Computation→Calculate potential values) и сохраняем вычисленные данные (File→Save results in RES2DINV format) в файл с индикатором двухэлектродной установки Block500-PP.dat.

При выборе установки Шлюмберже (Wenner-Shlumberger) и осевой дипольной (Inline Dipole-Dipole) нужно указать помимо количества приёмников a, которые мы не трогали в первых двух случаях, ещё количество источников n (см. рис. 36). Введём значения 11 и 1, соответственно. После этого можно рассчитать данные и сохранить в файлы Block500-Shl.dat и Block500-IDD.dat соответственно.

На втором этапе, после вычисления прямой задачи и сохранения модельных данных для всех четырёх выбранных установок, нужно провести инверсию и сохранить результат для дальнейшей обработки. Через пункт меню File→Read data file в программе Res2DInv загрузим один из созданных файлов данных, например, Block500-Wa.dat, и проведём инверсию (Inversion→Least-squares inversion). Результат решения обратной задачи отобразится в окне программы в виде трёх разрезов, как на рис. 41.

Для удобства работы с результатом инверсии, в программе Res2DInv существует режим для просмотра, печати и экспорта полученных данных. Его можно вызвать с помощью пункта меню Display→Show inversion results. Появится окно RES2DINV: Display Section Window и сообщение-приветствие. Если ранее проведённая инверсия была успешна, то в режиме просмотра отобразятся параметры установки, полученной модели, некоторые итоги инверсии, а в последней строке сообщение об успешном прочтении файла: Reading of file has been completed. Может появиться сообщение об ошибке, тогда нужно вернуться в основное окно программы RES2DINV, провести инверсию или в режиме просмотра загрузить готовый результат через пункт меню File→Read file with inversion results – файл с расширением *.inv. Если результаты инверсии загружены, то мы можем его просматривать, настраивать палитру, изменять масштаб, печатать или сохранять результат в растровый формат (*.bmp). Также существует возможность сохранить полученный в результате инверсии геоэлектрический разрез для его визуализации в Surfer. Для этого в режиме просмотра нужно воспользоваться пунктом меню File→Save data in Surfer format. Возникнет диалоговое окно Saving inversion results in Surfer format, где можно настроить формат выдаваемых данных. Оставим значения по умолчанию нажмём кнопку OK. В результате сохранится набор файлов (данные *.dat, палитра *.lvl, бланк контура разреза *.bln и др.), название которых соответствует прочитанным данным с некоторой добавкой. Для создания грида в Surfer нам понадобится файл Block500-Wa_modreslog.dat. С помощью полученного грида можно построить геоэлектрический разрез (карту изолиний, см. рис. 42, Wenner (α)). Тоже самое можно выполнить для других установок.

Теперь мы можем качественно оценить, насколько точно восстанавливается первоначальная модель. Для этого сравним контур объекта и зону повышенных сопротивлений (наиболее тёмная область на картах изоом). Видно, что двухэлектродная установка (Pole-Pole; см. рис. 42) восстанавливает заданную модель хуже всего: верхнюю кромку можно проследить, нижняя граница и горизонтальные размеры сильно размыты. Лучше выглядит результат инверсии для случаев Шлюмберже и Веннер (α): верхняя кромка объекта восстанавливается с тем же качеством, что и в первом случае, однако объект становится менее размытым и более локализованным. Что же касается осевой дипольной установки (Inline Dipole-Dipole), то здесь картина близка к идеальной: положение объекта и его размеры восстанавливаются с хорошей точностью. Исходя из проделанных расчётов, для поиска объектов, схожих с моделируемым (прямоугольный объект 3×1,2 м с сопротивлением 500 Ом·м, погруженный в однородное полупространство с сопротивлением 10 Ом·м), разумно будет выбрать осевую дипольную установку.

Рис. 42. Сравнение возможностей различных установок на примере модели Block500.mod

Таким образом, можно оценивать качество восстановления геоэлектрической модели, построенной по априорным данным, в зависимости от параметров установки (минимальный разнос, максимальный разнос и др.), от её типа и других факторов. Такие исследования позволяют дать методические рекомендации до начала полевой части геофизических работ, что существенно сокращает как временные, так и физические затраты.

Стоит сказать, что при восстановлении модели мы использовали чистые данные, что не всегда корректно. На практике, где присутствуют такие факторы, как помехи, низкий уровень сигнала вследствие плохих заземлений, такая идеальная ситуация возникает крайне редко. Поэтому для корректности численного эксперимента, в данные необходимо вносить шум. Такая возможность реализована в программе Res2DMod. При экспорте данных в формат Res2DInv появляется диалоговое окно Choose noise level, которое мы раньше игнорировали, где можно задать уровень вносимого шума.

Найдём решение обратной задачи ЭТ для чистых модельных данных (что мы делали до сих пор) и сравним его с результатом инверсии тех же данных, но с некоторым случайным шумом. Для моделирования будем использовать файл модели Block15.mod. После загрузки данной модели в программу Res2DMod, необходимо произвести расчёт прямой задачи (Model Computation→Calculate potential values) и экспортировать данные в формат Res2DInv (File→Save results in RES2DINV format). Назовём экспортируемый файл данных Block15_Noise0.dat. В появившемся диалоговом окне Choose noise level нужно указать, хотим мы ввести шум в данные или нет (Do you want to add noise to the data?). По умолчанию точка стоит напротив слова No. В первом случае нам не надо вводить шум, поэтому сразу нажимаем кнопку OK.

Не закрывая программу, получим файл данных с шумом. Расчёт уже произведён, можно экспортировать данные и ввести имя Block15_Noise3.dat, что будет соответствовать уровню шума 3 %. В появившемся диалоговом окне Choose noise level под вопросом Do you want to add noise to the data? нужно поставить точку напротив слова Yes, что активизирует процесс добавления шума в данные. В поле Please enter the random noise level as a percentage введём уровень 3 и нажмём OK. Это значит, что к каждому значению сопротивления или самого сигнала (по выбору пользователя) будет добавлен случайный шум, не превышающий 3 % от исходного значения. Таким образом, мы создали второй файл данных, где присутствует искусственная помеха-шум.

Теперь можно провести инверсию каждого полученного набора данных ЭТ и сравнить итоговые модели. Результаты расчёта с шумом (файл Block15_Noise0.dat) и без (файл Block15_Noise3.dat) по привычной схеме последовательно загружаются в программу Res2DInv, проводится инверсия, полученные данные экспортируются и строятся в программе Surfer.

На рис. 43 представлены геоэлектрические разрезы итоговой модели для двух описанных случаев с нанесёнными на них контурами объекта. При сравнении карт изоом хорошо видно, что введение даже такого небольшого шума, как 3 %, очень сильно влияет на результат инверсии. Если в случае чистых данных модель восстанавливается с хорошей точностью (см. рис. 43, сверху), то при введении шума уровня 3 % полученный псевдоразрез вызывает много вопросов (см. рис. 43, снизу). Во-первых, положение объекта определяется с плохой точностью: центр объекта и центр основной аномалии повышенного УЭС (наиболее тёмная область в районе 16 м профиля на рис. 43, снизу) отличаются почти на 2 м. Во-вторых, появляются ложные аномалии как с повышенным (11 и 25 м), так и с пониженным УЭС (14 и 23 м), что ещё больше затрудняет интерпретацию полученной модели.

Такое сильное влияние относительно небольшого шума на результат инверсии объясняется тем, что объект имеет слабую контрастность со средой и его влияние на сигнал немногим превышает 5 % (см. рис. 37, 38). Поэтому помехи и аномальный сигнал (сигнал от объекта) слабо различимы, что приводит к результату, который мы видим на нижнем разрезе рис. 43. Таким образом, можно сделать вывод, что в реальных условиях, где существует множество факторов, вызывающих помехи 3 %, а зачастую больше, выявление таких слабоконтрастных объектов затруднительно.

Рис. 43. Результат инверсии в программе Res2DInv без шума (сверху) и со случайным шумом 3 % (снизу)

Как мы убедились выше, небольшой шум может сильно изменить результат инверсии. Но ещё больше могут повлиять на решение обратной задачи выбросы-отскоки в данных, которые значительно больше уровня шума 3 %. В полевых условиях подобные плохие точки измерения в данных ЭТ возникают очень часто (в большинстве случаев из-за низкого уровня сигнала). Такие выбросы легко идентифицируются в данных. Для удаления плохих измерений в программе Res2DInv создан специальный инструмент, который вызывается пунктом меню Edit→Exterminate bad datum points.

Для иллюстрации инструмента по удалению плохих точек в данных ЭТ был создан файл Block15_Edit.dat с искусственными выбросами. Прочитаем его в программе Res2DInv и выберем пункт меню Edit→Exterminate bad datum points. В появившемся окне (см. рис. 44, слева) отображаются значения кажущегося УЭС (Apparent resistivity, крестики, соединённые линиями) на разных уровнях, каждый из которых соответствует разносу a (Elec. spac.). Оси сопротивлений и разносов указаны по бокам. Значения сопротивлений чаще всего должны изменяться плавно, а соседние уровни – коррелировать (схожее поведение графиков УЭС). Видно, что этим критериям не удовлетворяют три точки: две на первом уровне и одна на шестом. На рис. 44, слева, плохие данные обведены овалами. Их и нужно удалить (выколоть). Для этого нужно кликнуть по каждой из них левой кнопкой мыши, в результате чего крестики поменяют цвет на красный. Выбрав все бракованные точки, нужно выйти из данного модуля, используя пункт меню Exit→Quit edit window. Появится диалоговое окно, где будет предложено сохранить сделанные изменения в новый файл. Нужно нажать ДА (Yes), после чего будут ещё два информационных сообщения, где нажимаем OK и затем вводим имя файла для отредактированных данных (например, Block15_Edit_.dat). Помеченные (красные крестики) точки будут удалены из данных при сохранении. Для самопроверки можно открыть почищенные данные в программе Res2DInv и опять зайти в режим редактирования: Edit→Exterminate bad datum points. В появившемся окне, где отобразятся значения кажущегося УЭС на разных уровнях, можно проверить, что теперь выбросы отсутствуют (см. рис. 44, справа) – данные изменяются гладко и соседние уровни коррелируют между собой.

Рис. 44. Окно редактирования данных в программе Res2DInv

В итоге у нас имеются два набора данных: с выбросами (Block15_Edit.dat) и отредактированные (Block15_Edit_.dat). Чтобы проиллюстрировать влияние выбросов на результат инверсии, решим обратную задачу для каждого случая. Полученные данные экспортируются и строятся в программе Surfer.

Рис. 45. Результат инверсии в программе Res2DInv данных с выбросами (сверху) и после редактирования (снизу)

На рис. 45 сверху представлен результат инверсии данных с выбросами. Итоговая модель получается, как и в случае зашумлённых данных, некачественной (см. рис. 45, сверху): возникают ложные непроводящие зоны (12 и 24 м), а аномалия в районе объекта сильно искажается. Но если удалить три плохие точки и провести инверсию отредактированных данных Block15_Edit_.dat, то решение обратной задачи даст корректную модель. Исходный объект восстанавливается с хорошей точностью (см. рис. 45, снизу), как это было в случае чистых данных (см. рис. 41, 42) для модели Block15.mod.

Приведённые выше примеры показывают, что в процессе подготовки к полевым геофизическим работам при моделировании нужно исследовать не только параметры установки и её тип, но и учитывать уровень возможных помех в процессе измерения.

Рассмотренные примеры демонстрируют лишь небольшую часть возможностей пакета программ Res2DInv и Res2DMod для моделирования и инверсии данных ЭТ. За кадром осталась большая часть функционала этого инструмента, иначе эти программные разработки не считались бы мировым эталоном в области моделирования и обработки данных ЭТ. В частности, предусмотрены три различных варианта метода наименьших квадратов: быстрый квазиньютоновский; более медленный, но более точный метод Гаусса – Ньютона; и сравнительно быстрая гибридная методика, которая объединила преимущества первых двух. Помимо этого, существуют различные фильтры, например, можно настраивать сглаживающий фильтр таким образом, чтобы выделить изменения удельного сопротивления в вертикальном и горизонтальном направлениях. Имеется также опция устойчивой инверсии данных, которая снижает воздействие «шумных» значений. Есть возможность работы с чувствительностью к элементам модели и многое другое. Во всём этом можно разобраться, изучив руководство пользователя и сопутствующую литературу [14].

Как мы убедились, помимо вычислительных возможностей, в программе Res2DInv заложены модули просмотра и первичной обработки данных ЭТ. Но нужно понимать, что для этого существуют и используются специализированные программы: x2ipi, ZondProtocol, RiPPP и др. Эти разработки и другие аналоги работают по схожему принципу. Мы разберём не самую новую, но одну из наиболее удобных и простых для использования программ – SiberTools.

Если вспомнить типичную схему измерения методом ЭТ двумя косами с последующим переносом первой косы (см. рис. 30), то нужно упомянуть ещё одну возможность при создании шаблонов – Sequence Type в реестре свойств. При выборе значения Single в указанной строке протокол измерений предназначен для работы по стандартной полной схеме (см. рис. 47, слева). К любому полному шаблону можно создать продолжающий (нагоняющий) протокол, чтобы при последовательном переносе кос не дублировать данные. Для этого нужно указать Sequence Type = Roll Along. На рис. 47 справа приведена нагоняющая схема измерений для установки Веннер. Чтобы получить такой протокол из стандартного шаблона Шлюмберже (открывается по умолчанию), нужно изменить строки: Array Type = Wenner, Sequence Type = Roll Along и Levels = 12.

Сохранение или загрузка шаблона осуществляется через пункты меню File→Save (иконка в меню быстрого доступа или сочетание клавиш Ctrl+S) или File→Open ( или Ctrl+O) соответственно. При этом создаваемые файлы будут иметь расширение *.s2d.

После создания требуемого шаблона он загружается в прибор (в нашем случае Скала‑48). Раскладываются косы (многоэлектродные кабели), заземляются электроды, к этой измерительной системе подключается аппаратура, которая проводит коммутации по подготовленному сценарию. В результате получается файл данных ЭТ с расширение *.d2d. Его нужно скопировать на рабочий компьютер и загрузить в программу SiberTools выбрав пункт меню File→Open, кликнув на иконку в меню быстрого доступа или нажав сочетание клавиш Ctrl+O. В дереве объектов появится новый объект Data 2D#пп.

При открытии данных исчезнет поле дополнительной информации, остальные – заполнятся (см. рис. 48). В частности, в таблице данных отобразится информация о содержащихся в файле измерениях: номер измерения (#); глубина зондирования (Pseudodepth, m); четыре колонки с координатами питающих и измерительных электродов (A, B, M, N в метрах или номерах по выбору пользователя); кажущееся удельное электрическое сопротивление (Rho, Ом·м); кажущаяся поляризуемость (C, мс); входное напряжение (U, мВ); выходной ток (I, мА) и относительное отклонение (Q,%). Если в качестве номеров (координат) для электродов B или N установлен 0 или 9999, это означает удалённые электроды (в двухэлетродных и трёхэлектродных установках). Убирая галочки напротив определённых измерений в колонке Used, можно осуществлять чистку данных. Отсутствие отметок напротив определённых измерений означает, что эти измерения либо были отфильтрованы ранее, либо не были сделаны при работе.

В поле реестра свойств объекта будет отображена информация о данных: во вкладке Main – имя файла (File); комментарий (Comment), число измерений (Count); тип использованной измерительной установки (Array type) и шаг между электродами (Spacing<A>). Кроме того, в реестре свойств появятся пункты для управления панелью графики (Chart Details). В строке Values To Show можно выбрать параметр для отображения. В нашем случае это УЭС (Resistivity) без вариантов.

Следующая опция – Visible Diagrams, где можно выбрать варианты отображения данных на панели визуализации. По умолчанию стоит вариант Pseudosection – псевдоразрез кажущегося сопротивления или зависимость значений Rho от положения центра зондирования (MidPoint) и глубины (Pseudodepth), где также приводится цветовая шкала сопротивлений (см. рис. 48, сверху). При выборе AllSounding Curves отобразятся все кривые зондирования (зависимость значений УЭС от глубины). Вариант All Profile Curves на панели визуализации отобразит все профильные кривые или зависимость сгруппированных значений Rho от глубины относительно среднего значения (режим Exterminate bad datum points в программе Res2DInv). Последний пункт Signal Diagrams достаточно редко используется интерпретаторами и показывает зависимости Rho, U, I, Q от номера измерения по усмотрению пользователя.

При выборе разреза кажущегося сопротивления (Visible Diagrams = Pseudo-section) ниже в реестре свойств можно управлять методом аппроксимации значений УЭС, изменяя параметр 2D Appx. Type и его подпункт Radius. Также есть опции X Log Scale и Y Log Scale, которые позволяют делать масштабы осей графика логарифмическими. Ими часто пользуются в режиме отображения всех кривых зондирования (Visible Diagrams = AllSounding Curves).

В любом из режимов отображения данных, кроме Signal Diagrams, при наведении указателя мыши на любую точку данных в панели графики строка состояния показывает параметры этого измерения

Для иллюстрации описанных возможностей и изучения функций редактирования данных ЭТ в программе SiberTools используем файл ExSiber1.d2d, полученный на одном из научных полигонов в 2017 г. (стационар Парисенто). Откроем его через пункт меню File→Open, кликнув на иконку в меню быстрого доступа или нажав сочетание клавиш Ctrl+O. В появившемся диалоговом окне выберем нужный файл. В результате в дереве объектов появится новый объект Data 2D#пп и его свойства ниже, также отобразится информация об измерениях, а в поле графики – псевдоразрез кажущегося УЭС (см. рис. 48, сверху слева). По этой информации тяжело оценить качество данных (хотя в некоторых случаях большие выбросы на разрезе видно). Для первичной обработки используют режимы отображения данных AllSounding Curves и All Profile Curves.

На том же наборе данных разберём их редактирование в режиме отображения всех кривых зондирования Visible Diagrams = All Sounding Curves (см. рис. 48 слева в середине). Если вспомнить, как выглядят кривые одномерных ВЭЗ (см. гл. 2), то становится понятно, что здесь изображено множество таких кривых на одном бланке. Это облако кривых чаще всего отвечает некоторому тренду (или нескольким трендам), а выбивающиеся из него измерения считаются некондиционными (бракованными) и удаляются. В нашем случае можно видеть, что поведение большинства данных имеет схожее поведение (один тренд). Выделяются только некоторые точки, обведённые овалами (см. рис. 48, слева в середине). Удаление этих бракованных измерений можно осуществлять единичными кликами левой кнопкой мыши по отдельным точкам или, зажав Ctrl+Shift, непрерывно указывать точки (без нажатия клавиш мыши), которые следует отфильтровать.

Такие же действия можно проводить в режиме отображения всех профильных кривых Visible Diagrams = All Profile Curves (см. рис. 48, слева снизу). При рассмотрении режима редактирования в программе Res2DInv уже говорилось, что значения сопротивлений по уровням чаще всего должны изменяться плавно, а соседние уровни – иметь схожее поведение графиков УЭС (коррелировать). Точки, неудовлетворяющие этим требованиям, выделены овалами на рис. 48 слева снизу. Кликая левой кнопкой мыши или наводя курсор при зажатых Ctrl+Shift, эти данные можно отфильтровать.

Помимо ручного редактирования в некоторых случаях удобна автоматическая фильтрация по заданным пределам того или иного параметра. Это можно сделать, задав границы (Min и Max) в реестре свойств в подразделе Bound Filter: Quality Filter – фильтр по максимальной ошибки, Voltage Filter – по заданным пределам входящего напряжения, Current Filter – по заданным границам подаваемого тока, Resistivity Filter – по определённым значениям УЭС.

Первичная обработка данных (редактирование и фильтрация) является важной частью процесса геофизических работ. Но не стоит забывать, что основной принцип ЭТ – это непрерывность измерений. А профили чаще всего состоят из нескольких раскладок (последовательных переносов кос). В таких случаях для экономии времени используются нагоняющие (roll along) шаблоны (см. рис. 47, справа). Полученные таким образом данные необходимо соединить. Эта возможность также реализована в программе SiberTools.

Разберём объединение данных в единый профиль, используя измерения проведённые на одном из научных полигонов в 2016 г. (стационар Парисенто). Для этого сначала загрузим данные, полученные на первой раскладке профиля, чаще всего стандартные полные (протокол Single) измерения. В нашем случае это файл ExSiber2_Single.d2d. Теперь мы можем присоединить к загруженным данным следующий участок профиля. Это можно сделать с помощью пункта меню File→Append, кликнув на иконку в меню быстрого доступа или нажав сочетание клавиш Ctrl+A. Появится диалоговое окно, где нужно выбрать присоединяемый файл ExSiber2_RollAlong.d2d. В результате два набора объединятся, а в поле графики отобразится псевдоразрез длиной 355 м вместо 235 м (см. рис. 48, справа сверху). Такой размер профиля получается при непрерывном измерении методом ЭТ с межэлектродным расстоянием 5 м и одним переносом первой косы. Не стоит забывать, что присоединять файлы нужно в правильной последовательности, соответствующей реальным геометрическим положениям сегментов разреза. Таким же образом можно соединять вместе файлы с измерениями прямой и обратной трёхэлектродной установкой.

Объединённые в один профиль данные также можно отфильтровать, если это не было сделано для отдельных частей. В нашем случае в режиме отображения всех кривых зондирования (см. рис. 48, справа средний) выбросов не наблюдается, данные чистые, и на больших глубинах (Pseudodepth>25 м) разделяются на два тренда. При рассмотрении профильных кривых УЭС (см. рис. 48, справа снизу) видно, что шум наблюдается только в верхней части разреза. Такое поведение допускается, потому что зачастую ВЧР подвержена различным внешним воздействиям, в результате чего имеет неоднородное строение.

Рис. 48. Просмотр и редактирование данных в программе SiberTools в разных режимах: Pseudodepth (сверху); AllSounding Curves (посередине) и All Profile Curves (снизу)

Мы кратко разобрали просмотр, объединение и первичную обработку данных ЭТ, полученных аппаратурой Скала‑48. После этих операций нужно сохранить данные в формат *.s2d и экспортировать в формат *.dat со структурой, пригодной для инверсии, в частности, в программе Res2DInv.

Сохранить отредактированные и объединённые данные в формат *.s2d можно с помощью пункта меню File→Save, кликнув на иконку в меню быстрого доступа или нажав сочетание клавиш Ctrl+S. После этого появится диалоговое окно, где нужно ввести имя создаваемого файла. При этом отфильтрованные данные также будут сохранены, но без отметок (галочек) в столбце Used.

Экспортировать отредактированные и объединённые данные в формат *.csv или *.dat можно с помощью пункта меню File→Export, кликнув на иконку в меню быстрого доступа или нажав сочетание клавиш Ctrl+E. После этого появится диалоговое окно, где нужно выбрать нужный тип данных (*.csv или *.dat) и ввести имя создаваемого файла. Здесь, в отличие от сохранения, отфильтрованные данные не будут экспортированы.

Нетрудно догадаться, что отредактированные и объединённые экспортированные данные нужно проинтерпретировать, а для этого прежде всего необходимо решить обратную задачу – провести инверсию – подобрать модель, соответствующую измерениям. Это можно сделать с помощью множества программ. Мы разберём пример полного цикла обработки данных с использованием рассмотренных в данном пособии программ SiberTools и Res2DInv.

На рис. 50 видно, что разрез имеет высокоомное строение. Сопротивление принимают значения от 0,7 до 100 кОм·м. Такие большие сопротивления обусловлены спецификой научного полигона – исследования многолетнемёрзлых пород. Тем не менее сверху, до 6‒7 м выделяется достаточно выдержанный слой с относительно низкими сопротивлениями (700‒800 Ом·м). Затем сопротивление резко возрастает до 300‒400 кОм·м, при этом в центральной части наблюдается уменьшение мощности высокоомного слоя и понижение сопротивлений. Такие рассуждения уже относятся к интерпретации полученной модели, которая проводится геофизиком-интерпретатором с привлечением априорной информации и специалистов из области решаемой задачи (геологи, мерзлотоведы, археологи и т. д.).

Таким образом, мы кратко рассмотрели метод электротомографии. Вводная часть была посвящена методике. Затем разобрали программный пакет для двумерного прямого моделирования (Res2DMod) и инверсии данных метода ЭТ (Res2DInv), который может помочь в планировании геофизических работ. После чего перешли к практическим данным, где нам понадобилась программа SiberTools для просмотра и редактирования (фильтрации) измерений. В конце мы разобрали пример обработки (объединение в один профиль), экспорта полевых и инверсии экспериментальных данных. По сути, разобраны основы большинства аспектов метода электротомографии, которыми должен владеть геофизик-электроразведчик. При необходимости можно ознакомиться с каждым разобранным в пособии пунктом, используя многочисленные пособия, инструкции и сопутствующую литературу.

Ещё раз стоит сказать, что инверсия геофизических данных, в том числе электроразведочных, это некорректная задача. Поэтому итоговая геоэлектрическая модель зависит не от выбранной программы или метода решения обратной задачи, а по большей части от опыта и знаний геофизика-интерпретатора.

• Решить прямую задачу ЭТ для установок из задания 15. Экспортировать результаты в растровые изображения и в формат Res2DInv: пункты меню Print→Save screen as BMP file и File→Save results in RES2DINV format.

• Проанализировать полученные карты изолиний кажущихся сопротивлений и ответить на вопросы из задания 15.

17. Воспользоваться моделью из задания 15. В программе Res2DMod создать модель с тремя объектами, которая, по сути, повторяет модель из задания 15. Разница заключается лишь в том, что количество секторов между соседними электродами 2, а не 4 (см. рисунок ниже). Сохранить созданную модель в файл Task17.mod.

Проверить, что от густоты сетки зависит точность расчёта прямой задачи. Для этого нужно экспортировать результаты решения прямой задачи для моделей Task15.mod и Task17.mod (при одинаковых параметрах установки) в формат RES2DINV и воспользоваться MS Excel для вычисления относительной ошибки (rel.err) двух наборов данных. Сравнить средние значения ошибок.

18. Определить сопротивление проводящего объекта (УЭС объекта меньше УЭС вмещающей среды), при котором мы сможем его выявить в однородном полупространстве 100 Ом·м, если считать, что точность прибора 5 %? Параметры установки взять из задания 14. Размеры и положения объекта взять из задания 15, рассматривая каждый объект отдельно. Для решения прямой задачи ЭТ использовать программу Res2DMod и MS Excel для вычисления относительного отклонения (rel.err).